覲見“黑洞之王”

丁佳

黑洞對人類的吸引力，幾乎和它本身的引力一樣強大。

LB-1的藝術想象圖? 資料圖

2019年可以說是“黑洞之年”。上半年，天文學家歷時10年，捕獲了首張黑洞“芳容”，一度成為全球矚目的焦點;半年后，中國科學家主導的一項研究，發(fā)現(xiàn)了銀河系中的“恒星級黑洞之王”，將人類探索黑洞的歷史再次向前推進。

北京時間11月28日凌晨，《自然》雜志發(fā)表了中國科學院國家天文臺劉繼峰、張昊彤研究團隊的一項重大發(fā)現(xiàn)。研究團隊依托我國自主研制的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST），發(fā)現(xiàn)了一顆迄今為止質(zhì)量最大的恒星級黑洞。

這顆70倍太陽質(zhì)量的黑洞遠超理論預言的質(zhì)量上限，顛覆了人們對恒星級黑洞形成的認知，有望推動恒星演化和黑洞形成理論的革新。

? ? 1 沉默的大多數(shù)

黑洞是一種本身不發(fā)光的神秘天體，它的密度非常大，具有超強的吸引力，任何物質(zhì)，包括光也無法從它身邊逃離，是宇宙中名副其實的“吸光器”。

根據(jù)黑洞質(zhì)量的不同，天文學家將黑洞大致分為100倍太陽質(zhì)量以下的恒星級黑洞、100～10萬倍太陽質(zhì)量的中等質(zhì)量黑洞和10萬倍太陽質(zhì)量以上的超大質(zhì)量黑洞。

其中，恒星級黑洞是由大質(zhì)量恒星死亡形成的，是宇宙中廣泛存在的“居民”。

“理論預言，銀河系中應該有上億顆這種恒星級的黑洞?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅锌圃簢姨煳呐_副臺長、研究員劉繼峰說，“但過去幾十年，人們只發(fā)現(xiàn)了大概20個?！?/p>

剩下的上億個黑洞到底去哪了？劉繼峰認為，這可能與觀測方法有關。

黑洞雖然不發(fā)光，但當它與一顆正常恒星組成一個密近雙星系統(tǒng)時，就會露出“猙獰”的面目，以強大的“胃口”把恒星伴星上的氣體物質(zhì)吸過來，形成吸積盤，發(fā)出明亮的X射線，這些X射線就如同這些物質(zhì)被黑洞吞噬前的“回光返照”。

此前，科學家就是通過這些X射線來識別黑洞的，50年來，人們用這種方法發(fā)現(xiàn)了約20個黑洞，它們的質(zhì)量均在3～20倍太陽質(zhì)量之間。

可是，當黑洞和它的伴星距離較遠時，“大胃王”也會表現(xiàn)出平靜溫和的一面，黑洞雙星系統(tǒng)中，能夠發(fā)出X射線輻射的其實只占一小部分。對于這些“沉默的大多數(shù)“，又該如何去搜尋呢？

? ? 2 “走路拉風”的B型星

2016年初，中科院國家天文臺研究員、LAMOST科學巡天部主任張昊彤和中科院院士韓占文利用LAMOST觀測雙星光譜，開展雙星系統(tǒng)的研究計劃，并選擇銀河系一個天區(qū)中的3000多個天體進行了為期兩年的光譜監(jiān)測。

其中，一顆“走路拉風”的B型星引起了科研人員的注意。在一個X射線輻射寧靜的雙星系統(tǒng)中，這顆8倍太陽質(zhì)量的藍色恒星，似乎在圍繞一個看不見的天體做著周期性運動。

“我們懷疑，這顆星星的背后一定有故事。它到底在繞著誰運動？”論文作者之一、國家天文臺研究生鄭傳杰說。

不同尋常的光譜特征表明，那個“看不見的天體”極有可能是一個黑洞。研究人員隨即進行了確認，他們通過西班牙10.4米口徑加納利大望遠鏡和美國10米口徑凱克望遠鏡，進一步確認了這個雙星系統(tǒng)的光譜性質(zhì)，并計算出這個“看不見的天體”質(zhì)量大約是太陽的70倍。

這么大的質(zhì)量，它只能是黑洞！

目前的恒星演化理論預言，在太陽金屬豐度下，只能形成最大為25倍太陽質(zhì)量的黑洞。但顯然，這顆新發(fā)現(xiàn)的黑洞已經(jīng)突破了現(xiàn)有的理論限制。

“當初得到這個結(jié)果，我們也感到很意外，不敢相信?！蹲匀弧冯s志的審稿人也非常謹慎，提出了很多問題。但我們反復計算，事實就是如此?！眲⒗^峰告訴筆者，這一發(fā)現(xiàn)可能意味著有關恒星演化形成黑洞的理論將被改寫，或者還有某種黑洞形成機制被人們忽視了。

? ? 3 “黑洞獵手”

對這一發(fā)現(xiàn)，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）臺長大衛(wèi)·雷茨評論稱：“在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)70倍太陽質(zhì)量的黑洞，將迫使天文學家改寫恒星級黑洞的形成模型。這一非凡的成果，將與過去4年里LIGO及歐洲室女座引力波天文臺（Virgo）探測到的雙黑洞并合事件一起，推動黑洞天體物理研究的復興?！?/p>

其實從2015年起，LIGO和Virgo的引力波觀測實驗已發(fā)現(xiàn)了幾十倍太陽質(zhì)量的黑洞，但它們都位于遙遠的地方，也就是在宇宙較早期形成的。而此次發(fā)現(xiàn)的這顆70倍太陽質(zhì)量的“黑洞之王”，不僅揭示了銀河系內(nèi)也存在此類大質(zhì)量恒星級黑洞，同時刷新了人類對恒星級黑洞質(zhì)量上限的認知。

值得一提的是，在兩年之久的監(jiān)測時間里，LAMOST共為這項研究做了26次觀測，累積曝光時間約40個小時。據(jù)估算，如果利用一架普通四米口徑望遠鏡來尋找這樣一顆黑洞，在同樣的幾率下，則需要40年時間。

LAMOST超高的觀測效率也給了劉繼峰等人更充足的信心。他透露，科研團隊將開展一個“黑洞獵手”計劃，預計在5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)并測量近百個黑洞，并最終描畫出一幅黑洞群像。

到那時，是否還會有新的“黑洞之王”出現(xiàn)呢？我們不妨拭目以待。